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溫度控制技術(shù)不僅在工業(yè)生產(chǎn)有著(zhù)非常重要的作用，而且在日常生活中也起著(zhù)至關(guān)重要的作用。本文對系統進(jìn)行硬件和軟件的設計，在建立溫度控制系統數學(xué)模型的基礎之上，通過(guò)對PID控制的分析設計了系統控制器，完成了系統的軟、硬件調試工作。算法簡(jiǎn)單、可靠性高、魯棒性好，而且PID控制器參數直接影響控制效果。 1.系統概述 1.1 系統總體結構 該系統利用AT89S51豐富的外設模塊搭建硬件平臺。系統的硬件電路包括：模擬部分和數字部分，基本電路由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤(pán)顯示模塊及控制執行模塊等組成。 1.2 系統工作流程 系統開(kāi)始工作時(shí)，首先由單片機控制軟件發(fā)出溫度讀取指令，通過(guò)數字溫度傳感器采集被控對象的當前溫度值并送顯示屏實(shí)時(shí)顯示。然后，將該溫度測量值與設定值T比較，其差值送PID控制器。PID控制器處理后輸出一定數值的控制量，經(jīng)D/A轉換為模擬電壓量，控制被控對象進(jìn)行加熱。 1.3 系統軟件設計方法 整個(gè)系統軟件設計包括管理程序和控制程序兩部分，管理程序包括LED顯示的動(dòng)態(tài)刷新、控制指示燈、處理鍵盤(pán)的掃描和響應�？刂瞥绦虬ˋ/D轉換、中值濾波、越限報警處理、PID計算等。 2.系統硬件結構 2.1 電源電路的設計 系統所用直流電源由三端集成穩壓器組成的串聯(lián)型直流穩壓電源提供。設計中選用了LM7805 LM7815和LM7915三個(gè)三端集成穩壓器，提供+5V直流電壓，輸出電流均為1A。變壓器將220V的市電降壓后再通過(guò)整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。電源電路圖如圖1所示。 圖1 電源電路圖 2.2 復位電路設計 單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整個(gè)系統工作的可靠性。只有一個(gè)可靠的復位電路才能使系統避免出現了“死機”、“程序走飛”等現象。電路圖如圖2所示。 圖2 復位電路圖 2.3 時(shí)鐘電路設計 本控制器采用的是內部振蕩方式得到單片機的時(shí)鐘信號，這種方式得到的時(shí)鐘信號比較穩定。圖3為時(shí)鐘電路。 圖3 時(shí)鐘電路圖 2.4 可控硅輸出電路 可控硅是一種功率半導體器件，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR，也稱(chēng)晶閘管。本部分為控制電加熱爐功率的雙向可控硅驅動(dòng)電路，采用MOC3041作為驅動(dòng)電路。如圖4所示。 圖4 可控硅輸出電路 2.5 聲光報警電路模塊 某一通道的溫度測量值超出預先設定的上、下限報警值或系統運行出現故障時(shí)，系統發(fā)出聲光報警以提醒用戶(hù)注意。如圖5所示。 圖5 聲光報警電路圖 3.系統軟件設計 3.1 系統主程序設計 在反應器系統中，主程序的功能主要是設定程序執行過(guò)程中用到的相關(guān)變量，分配寄存器，對所需要的參數初始化，根據定時(shí)中斷程序，調用相應的功能模塊，完成一定的任務(wù)。 3.2 系統子程序設計 3.2.1 顯示子程序 LED顯示方式包括有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示兩種，動(dòng)態(tài)掃描顯示電路是將顯示各位的所有相同字段線(xiàn)連在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，而每一位的公共端(共陽(yáng)或共陰COM)由另一個(gè)I/O口控制。由于這種連接方式將每位相同字段的字段線(xiàn)連在一起，當輸出字段碼時(shí)，每一位將顯示相同的內容。因此，要想顯示不同的內容，必須采取輪流顯示的方式。 3.2.2 定時(shí)子程序 定時(shí)程序主要是用于完成查表的占空比控制�？傮w思想是根據控制表中占空比控制變量U的不同取值，采用不同的定時(shí)來(lái)改變繼電器的通斷，根據繼電器的特性，要求不能頻繁通斷，所以通斷要有一定長(cháng)的時(shí)間，但又要考慮到控制能夠及時(shí)的根據新的采集值和設定值的變化來(lái)做出相應的動(dòng)作。 4.控制方案 4.1 PID控制 PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，它根據給定值與實(shí)際輸出值構成控制偏差，將偏差比例、積分和微分通過(guò)線(xiàn)性組合構成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。 4.2 PID參數整定 由于PID控制器的輸出為系統偏差的比例、微分和積分作用后的線(xiàn)性組合，所以調整各個(gè)部分的線(xiàn)性系數就是PID控制器控制性能好壞的關(guān)鍵。必須針對具體被控對象對PID控制器參數進(jìn)行整定，采取擴充臨界比例度法： (a)選擇合適的采樣周期T。所謂合適是指周期足夠小，一般應選它對象的純滯后時(shí)間的1/IO以下； (b)僅讓控制器作純比例控制，由小到大逐漸增大比例系數Kp，直至使系統出現臨界振蕩，記下此時(shí)的臨界振蕩周期Ts和臨界振蕩增益Ks； (c)選擇合適的控制度。所謂控制度，就是數字控制器和模擬調節器所對應的過(guò)渡過(guò)程的誤差平方的積分之比； (d)根據控制度查表。 4.3 Matlab仿真 通過(guò)對上述的整定方法的綜合運用，整定后得到PID控制器的參數為：Kp=1.75，Ki=0.0125，Kd=3，在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立溫度控制系統的仿真模型，如圖6示。仿真后得到系統階躍響應曲線(xiàn)。 圖6 仿真模型 仿真后得到的系統階躍響應的動(dòng)態(tài)性能還是比較理想的，超調很小(響應峰值為1.017，超調量Q%=1.7%)。統的響應誤差是也是比較小的(穩態(tài)誤差為0.005)，在系統要求的精度范圍之內。 5.總結 系統采用模塊化設計，擴展性強。模塊化設計，使控制器具有一定的通用性，而且運行安全可靠。成本低，操作簡(jiǎn)單，體積小，安裝方便，反應靈敏，控制精度高。 |
